DE19834805C2

DE19834805C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Symmetrisierung von Laserstrahlen von Laserdioden-Arrays

Info

Publication number: DE19834805C2
Application number: DE19834805A
Authority: DE
Inventors: Bjoern Wedel; Roman Niedrig
Original assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Current assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Priority date: 1998-08-01
Filing date: 1998-08-01
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2018-08-02
Also published as: DE19834805A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialbearbei tung mit Laserstrahlung, insbesondere einem Laserdioden- Array, wobei Mittel zur Strahlführung und Strahlformung vorgesehen sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Schnittstellenoptikmodul zur Durchführung des Verfahrens.

Die DE 29 17 221 C2 beschreibt ein optisches Abbildungs system, um die Strahlung einer Laserdiode derart zu fo kussieren, daß die Intensität (Leistung pro Fläche) maxi miert wird. Erreicht wird dies durch ein System, welches verschiedene Abbildungsmaßstäbe in den zwei Raumrichtun gen aufweist (ein sog. Anamorphot). Ferner ist ein System aus vorderer, sammelnder Linsengruppe und aus hinterer, sammelnder Linsengruppe vorgesehen, wobei die vordere Gruppe ein Anamorphotisches System darstellen soll. So zeigt eine Figur zwei gekreuzte Zylinderlinsen. Die vor dere Linsengruppe kann dabei aus einer spährischen Linse und einem Strahlendehner aus Zylinderlinsen bestehen. Nachteilig ist, daß dieses System nicht notwendigerweise eine exakte Kollimation enthält. Auch wird keine Anregung für eine Symmetrisierung gegeben. Am problematischsten ist jedoch, daß sich dieses System nicht für Hochleis tungsdiodenlaser eignet; es betrifft lediglich lichtemp findliche Aufzeichnungssysteme.

Die DE 42 34 342 A1 beschreibt ein Verfahren zur Materi albearbeitung mit Hochleistungsdiodenlaser, sowie eine Strahlführung und Strahlformung; ferner kann eine Zylin derlinse als Kollimatorlinse ausgebildet sein. Darüber hinaus ist vorgesehen, daß eine oder mehrere Laserdioden des Arrays mit einer Kopplungsoptik oder direkt an eine Glasfaser gekoppelt werden, wobei mehrere Fasern zu einem Bündel zusammengefaßt werden; letztlich wird das Faser bündel mit oder ohne Optik auf das Werkstück gerichtet.

Aus der DE 196 45 150 A1 ist eine optische Anordnung zur Symmetrierung der Strahlung von in fester Zuordnung ne beneinander angeordnete Laserdioden bekannt. Hierbei wird durch eine Zylinderlinsenoptik die Ausgangstrahlung der einzelnen Laserdioden in x-Richtung kollminiert und zu einander versetzt. Anschließend wird durch ein nachge schaltestes Direktionselement die Strahlung in y-Richtung mit unterschiedlichen Ablenkungswinkeln umgelenkt und durch ein anschließendes Redirektionselement zur opti schen Achse wieder kompensiert. Nachteilig ist hierbei, dass die eine Kollimierung nur in x-Richtung erfolgt und die Reihenfolge der Kollimierung erst in x-Richtung und anschließend in y-Richtung zu erfolgen hat.

Die Materialbearbeitung mit Laserstrahlen hat in den letzten 10 Jahren einen enormen Aufschwung erlebt. Insbe sondere die Entwicklung der Diodenlaser bzw. Hoch leistungs-Diodenlaser (HLDL) eröffnen neue Einsatzmög lichkeiten. Hochleistungs-Diodenlaser weisen bei einer äußerst kompakten Bauform exzellente elektrische Wir kungsgrade auf und sind einfach integrierbar in konventi onelle Werkzeugmaschinen und Produktionsanlagen. Aufgrund ihrer Leistungsstärke (bis zu 2000 Watt) sind sie in der Materialbearbeitung nicht wegzudenken. Gekennzeichnet sind Diodenlaser durch viele einzelne Laser, die in einer Linie angeordnet sind. Die einfache Fokussierung dieses Laserstrahles auf eine Bearbeitungsfläche ergibt daher eine Linie.

Hochleistungs-Diodenlaser zur Materialbearbeitung werden zur Zeit ausschließlich mit direkter Strahlübertragung bei der Laser-Materialbearbeitung eingesetzt, d. h. ein optisches System befindet sich direkt vor dem Laserkopf. Die direkte Strahlführung ist jedoch mit Nachteilen be haftet:

- An der Führungsmaschine, z. B. einem Roboter oder ei ner Portalmaschine, ist eine Komponente von sehr ho hem Wert, nämlich der Laserkopf befestigt. Im Falle einer Fehlprogrammierung oder eines Crashes des La serkopfes mit dem Bauteil oder einem anderen Teil der Laseranlage kann ein Schaden in nicht unbe trächtlicher Höhe entstehen.
- Die Dimensionen und das Gewicht des Laserkopfes zur Direktbearbeitung beschränken die Zugänglichkeit zum zu bearbeitenden Werkstück und darüber hinaus wird die Dynamik der Führungsmaschine ebenfalls be schränkt.
- Das Strahlprofil des Laserstrahls auf dem Werkstück ist weder homogen noch rotationssymmetrisch, weswe gen es bei vielen Bearbeitungsprozessen zu schlech ten Ergebnissen oder einer geringen Effizienz kommt.

Zur Beseitigung dieser Probleme ist bislang vorgeschlagen worden, Laserstrahlen von Diodenlasern durch eine Linse zu symmetrisieren. Hierbei wird jedoch lediglich der La serstrahl zu einem zweidimensionalen Strahl fokussiert, also eben einer Linie (vgl. Heinemann/Leininger, "Fiber coupled diode lasers and beam-shaped high-power stacks" Photonics West 1998, SPIE-Paper, 3267-13).

Auch aus der US-PS 4,762,395 ist ein Linsensystem zum Einkoppeln von Laserlicht aus einem Diodenlaser bekannt, welches jedoch ebenfalls nur zu einer zweidimensionalen Fokussierung des Laserlichtes führt.

Das grundlegende und bislang nicht gelöste Problem beim Aufbau von Systemen zur Strahlübertragung von Laserlicht aus Diodenlasern besteht darin, die unsymmetrischen Strahlparameter des Diodenlasers, die in x- und y- Richtung stark voneinander abweichen, derart zu symmetri sieren, daß der Laserstrahl mit minimalen Verlusten durch ein rotationssymmetrisches optisches Element (z. B. ein Bearbeitungsobjektiv) geführt werden kann.

Das normale Strahlungsfeld von Hochleistungslaserdioden arrays bildet ein langgezogenen Rechteck mit einem typi schen Seitenverhältnis von 5 : 1 (dx : dy), bei Verwendung einer Strahlkompaktierung beträgt das Seitenverhältnis ca. 10 : 1. Die zugehörigen Divergenzwinkel haben ein Ver hältnis von ca. 1 : 10 (wx : wy).

Bislang wird das Strahlungsfeld entweder direkt mit "ge wöhnlichen" d. h. sphärischen Optiken auf das Werkstück fokussiert. Dabei ergibt sich ein langgezogener, strich förmiger Fokus, welcher nur für Spezialanwendungen verwendbar ist. Alternativ wird noch eine einzelne Zylinder linse zwischen Strahlungsquelle (Laserdiodenarray) und Bearbeitungsoptik angeordnet. Um damit einen symmetri schen Fokus zu erzielen, müssen jedoch Zylinderlinse und Bearbeitungsoptik immer individuell aneinander angepaßt werden, so daß keine universelle Schnittstelle erhältlich ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrich tung zur effektiven Materialbearbeitung mit aus Diodenla ser stammenden Laserlicht zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Schaffung eines Ver fahrens, mit dessen Hilfe der unsymmetrische Strahl des Diodenlasers symmetrisch kollimiert wird, nämlich da durch, daß die Laserstrahlen eines Diodenlasers innerhalb eines aus drei Linsengruppen (20, 21, 22) bestehenden Lin sensystems in den drei Raumrichtungen x, y und z derart beeinflußt werden, daß durch die erste und dritte Linsen gruppe (20, 22) die Laserstrahlen in x-Richtung und durch die zweite und dritte Linsengruppe (21, 22) die Laser strahlen in y-Richtung kollimiert werden, wobei die ef fektiven Brennweiten fx, fy und fz der einzelnen Linsengrup pen (21, 22, 23) und der Abstände Sx und Sy der jeweils wirk samen Gruppe bzw. der Abstand Sz der Strahlungsquelle, insbesondere ein Laserdioden-Array, zur letzten Gruppe derart ausgelegt werden, daß die Laserstrahlen darüber hinaus symmetrisiert werden.

Damit wird eine Schnittstelle geschaffen, die es ermög licht, weitere Module für die verschiedensten Applikatio nen an den Diodenlaser anzuschließen. Als Beispiel sei hier ein Einkopplungsmodul in ein Lichtleitkabel und ein Objektiv zur Direktbearbeitung von Werkstücken genannt.

Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die bekannten. Nachteile der Direktbearbeitung mit einem Diodenlaser vermieden. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Laserstrahl eines Diodenlasers flexibel mittels eines Lichtleitkabels an die jeweilige Bearbeitungsstelle am Werkstück geführt werden kann. Bislang war dies nicht möglich, da selbst kleine Diodenlaserköpfe in industriel ler Ausführung noch ca. 10 kg wiegen und daher unhandlich sind und die Zugänglichkeit zum Werkstück behindern.

Durch die Lichtübertragung mittels eines Lichtleitkabels kann der empfindliche Diodenlaser von der Bearbeitungs station selbst ferngehalten werden und in einer Umgebung aufgestellt werden, die den sicheren Betrieb und die üb liche Wartung des Systems erlaubt.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Schnittstellenoptikmodul (SOM) ist ein opti sches System, welches ein asymmetrisches und divergentes Strahlungsfeld in ein symmetrisches und kollimiertes Strahlungsfeld überführt. Die Vorrichtung ist gekenn zeichnet durch ein Linsensystem aus drei Linsengruppen mit variablen Brennweiten und zueinander variablen Ab ständen, wobei die ersten beiden Linsengruppen aus Zylin derlinsen und die letzte Linsengruppe aus sphärischen Linsen bestehen, und wobei die ersten beiden Linsengrup pen zusammen mit der letzten Linsengruppe einen Kolli mator mit angeschlossenem Teleskop für zwei zueinander senkrechte Richtungen des Strahlungsquerschnittes bilden (x und y, wenn z die Ausbreitungsrichtung ist). Durch die ineinander verschachtelte Bauweise werden zum einen Lin sen eingespart, zum anderen können Abbildungsfehler des optischen Systems korrigiert werden. Mit den Brennweiten f der drei Linsengruppen und deren Abstand zueinander sind ausreichend Freiheitsgrade vorhanden, um ein asymme trisches Strahlungsfeld mit den Halbmessern dx und dy und den Divergenzwinkeln wx und wy (jeweils verschieden für die Richtungen x und y) in ein symmetrisches und kolli miertes Srahlungsfeld mit dem Halbmesser dz (gleich für x- und y-Richtung) zu überführen.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich wie folgt darstellen:

- Durch die exakte Kollimation des Laserstrahls kann an das Schnittstellenoptikmodul eine breite Palette von Bearbeitungsobjektiven angeschlossen werden, oh ne daß der "Arbeitsabstand", d. h. der Abstand der Optik zum Werkstück für eine optimale Fokuslage je weils neu eingestellt werden muß. Dies ermöglicht die Verwendung von Objektivwechselsystemen.
- Durch die Symmetrisierung des Strahlungsfeldes wird der freie Durchmesser der angeschlossenen Optiken optimal genutzt, was zu höherem Arbeitsabstand, kleinerem Fokusdurchmesser oder höherer Lei stungstransmission führt.
- Mit der Symmetrisierung sowohl der Divergenz als auch des Fokusdurchmessers wird der Verlust an Lei stung und/oder Strahlqualität bei der Einkopplung in ein Lichtleitkabel auf ein absolutes Minimum redu ziert.

Die Korrektion des Öffnungsfehlers gewährleistet minimale mögliche Fokusdurchmesser hinter dem Bearbeitungsobjek tiv, wodurch die Bearbeitungsgeschwindigkeit maximiert werden kann.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Un teransprüchen enthalten.

Die Erfindung ist in den anlie genden Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des gesamten Systems mit Lichtleit kabel und Bearbeitungsoptik;

Fig. 2 schematische Darstellung der Strahlführung des Laserlichts eines Diodenlasers innerhalb des Schnitt stellenoptikmoduls in x-Richtung;

Fig. 3 schematische Darstellung der Strahlführung des Laserlichts eines Diodenlasers innerhalb des Schnitt stellenoptikmoduls in y-Richtung;

Fig. 4 schematische Darstellung im Querschnitt durch ein erfindungsge mäßes Schnittstellenoptikmodul.

Die in der Fig. 1 dargestellte Anordung 10 zur Einkopplung von Laserlicht aus einem Diodenlaser zur Ma terialbearbeitung zeigt in schematischer Darstellung eine Versorgungseinheit 13 für einen Diodenstack 12 eines Diodenlaser, dessen Laserlicht mittels eines sogenannten Schnittstellenoptikmoduls 11 und eines - im wesentlichen bekannten - nachgeschalteten Fasereinkopplungsmoduls 14 in ein Glasfaserkabel 15 eingekoppelt wird. Durch die Glasfaser 15 wird das Laserlicht zu einem mit einer Füh rungsmaschine 18 verbundenen Bearbeitungsoptikkopf 16 ge führt, wo es zu einer Bearbeitung eines Werkstückes 17 verwendet werden kann.

Die Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung die Strahlführung des Laserlichts 19 eines Diodenlasers 12 innerhalb des Schnittstellenoptikmoduls 11 in einer An sicht in X-Richtung; die Fig. 3 dagegen in Y-Richtung.

Das in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellte Schnittstel lenoptikmodul 11 (SOM) besteht aus 3 Linsengruppen x, y und z. Wird von einem Diodenstack 12 eines Diodenlasers Laserlicht 19 ausgestrahlt, so führt dies zu einem zwei dimensionalen Strahlungsfeld mit den Ausmaßen dx in x- Richtung und dy in y-Richtung. Durch die erste und dritte Linsengruppe 20 und 22 wird das Laserlicht 19 in x- Richtung, durch die zweite und dritte Linsengruppe 21 und 22 hingegen in y-Richtung kollimiert. Die Definition von x-Richtung und y-Richtung ist dabei natürlich austausch bar.

Die Brennweiten fx, fy und fz und Abstände Sx, Sy und Sz der Lin sen der einzelnen Linsengruppen 20, 21 und 22 sind durch folgende Gleichungen erfindungsgemäß verbunden, wie auch in der Fig. 4 in zweidimensionaler Darstellung veranschaulicht ist:

worin bedeutet:
Sx der Abstand der in x-Richtung wirksamen Gruppe zur letzten Gruppe;
Sy der Abstand der in y-Richtung wirksamen Gruppe zur letzten Gruppe;
Sz der Abstand der Strahlungsquelle (Laserdiodenarray) zur letzten Gruppe;
fx die effektive Brennweite der in x-Richtung wirksamen (zylindrischen) Linsengruppe;
fy die effektive Brennweite der in y-Richtung wirksamen (zylindrischen) Linsengruppe;
fz die effektive Brennweite der letzten (spährischen) Linsengruppe;
dx der Halbmesser der Strahlungsquelle in x-Richtung;
dy der Halbmesser der Strahlungsquelle in y-Richtung;
dz der Halbmesser des kollimierten Strahlungsfeldes nach dem Schnittstellenoptikmodul;
wx der Divergenzwinkel der Strahlungsquelle in x- Richtung;
wy der Divergenzwinkel der Strahlungsquelle in y- Richtung.

Durch die erfindungsgemäßen Beziehungen wird der Laser strahl des Diodenlasers symmetrisiert.

Ausführungsbeispiel

Das Strahlungsfeld eines kompaktierten Diodenlaserarrays hat folgende Abmessungen:

dx = 2 mm
dy = 20 mm
wx = 0,1 rad
wy = 0,01 rad

Dabei können folgende Parameter gewählt werden:

dz = 12 mm
sz = 140 mm
fz = -94 mm

Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Beziehungen findet man daraus die Abstände und Brennweiten der Linsengrup pen:

sx = 18 mm
sy = 68 mm
fx = 62 mm
fy = 151 mm

Somit ergibt sich das folgende optische System, charakte risiert durch die Radien (der Linsen) und Abstände (der einzelnen Flächen zueinander) der Linsenscheitel:

Bezugszeichen

10

Versuchsanordnung

11

Schnittstellenoptikmodul

12

Diodenstack mit Kompaktierung

13

Versorgung für Diodenlaser

14

Fasereinkopplungsmodul

15

Glasfaser

16

Bearbeitungsoptikkopf

17

Werkstück mit Bearbeitung

18

Führungsmaschine

19

Laserlicht

20

1. Linsengruppe, zylindrisch

21

2. Linsengruppe, zylindrisch

22

3. Linsengruppe, sphärisch

Claims

1. Verfahren zur Materialbearbeitung mit Laserstrah lung, insbesondere durch ein Laserdioden-Array er zeugt, wobei Mittel zur Strahlführung und Strahlfor mung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlen eines Diodenlasers innerhalb eines aus drei Linsengruppen (20, 21, 22) bestehenden Lin sensystems in den drei Raumrichtungen x, y und z derart beeinflußt werden, daß durch die erste und dritte Linsengruppe (20, 22) die Laserstrahlen in x- Richtung und durch die zweite und dritte Linsengrup pe (21, 22) die Laserstrahlen in y-Richtung kolli miert werden, wobei die effektiven Brennweiten fx, fy und fz der einzelnen Linsengruppen (21, 22, 23) und der Abstände Sx und Sy der jeweils wirksamen Gruppe bzw. der Abstand Sz der Strahlungsquelle, insbesondere ein Laserdioden-Array, zur letzten Gruppe derart ausgelegt werden, daß die Laserstrahlen darüber hin aus symmetrisiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand Sz der Strahlungsquelle zur letzten Linsengruppe, die effektive Brennweite fz der letzten Linsengruppe und die Abstrahlcharakteristik der Strahlungsquelle (dx, dy, dz, wx, wy, wz) die effektiven Brennweiten fx, fy der wirksamen Gruppen und die Ab stände Sx, Sy zur letzten Linsengruppe wie folgt bestimmen:
ist, worin bedeutet:
Sx der Abstand der in x-Richtung wirksamen Gruppe zur letzten Gruppe;
Sy der Abstand der in y-Richtung wirksamen Gruppe zur letzten Gruppe;
Sz der Abstand der Strahlungsquelle (Laserdioden array) zur letzten Gruppe;
fx die effektive Brennweite der in x-Richtung wirksamen (zylindrischen) Linsengruppe;
fy die effektive Brennweite der in y-Richtung wirksamen (zylindrischen) Linsengruppe;
fz die effektive Brennweite der letzten (spähri schen) Linsengruppe;
dx der Halbmesser der Strahlungsquelle in x- Richtung;
dy der Halbmesser der Strahlungsquelle in y- Richtung;
dz der Halbmesser des kollimierten Strahlungsfel des nach dem Schnittstellenoptikmodul;
wx der Divergenzwinkel der Strahlungsquelle in x- Richtung;
wy der Divergenzwinkel der Strahlungsquelle in y- Richtung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Laserstrahlen auf ein Glasfaserka bel fokussiert und in dasselbe einfokussiert werden und zu einer Bearbeitung entfernt von dem Laserdio den-Array zu Verfügung stehen.

4. Vorrichtung zur Symmetrisierung von Laserstrahlen eines Laserdioden-Array ("Schnittstellenoptikmo dul"), bestehend aus einem mehrteiligen Linsensystem zur Fokussierung von Laserstrahlen, dadurch gekenn zeichnet,
daß das Linsensystem (11) aus drei Linsengruppen (20, 21, 22) mit variablen Brennweiten und zueinan der variablen Abständen besteht,
wobei die ersten beiden Linsengruppen (20, 21) aus Zylinderlinsen und die letzte Linsengruppe (22) aus sphärischen Linsen bestehen,
und wobei die ersten beiden Linsengruppen (20, 21) zusammen mit der letzten Linsengruppe (22) einen Kollimator mit angeschlossenem Teleskop bilden.

5. Schnittstellenoptikmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Modul (11) ein Endstück (15) zur Werkstückbearbeitung verbunden ist.

6. Schnittstellenoptikmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück ein Lichtleitkabel ist.